Những thông số nào cần chú ý khi lựa chọn bi thép rèn?

Để chọn đúng kích thước, vật liệu và thông số kỹ thuật của bi thép rèn, cần kết hợp các điều kiện làm việc (như loại máy nghiền, độ cứng vật liệu, yêu cầu độ mịn nghiền) và các thông số vận hành (như tốc độ máy nghiền, tỷ lệ nạp), đồng thời chú ý đến sự phù hợp của các thông số cốt lõi—bi thép rèn có đặc điểm là cấu trúc đặc, độ bền cao và khả năng chống va đập tuyệt vời, vì vậy việc lựa chọn thông số phải làm nổi bật khả năng thích ứng của chúng với các tình huống nghiền chịu tải nặng và va đập mạnh. Sau đây là giải thích chi tiết từ ba khía cạnh: xác định kích thước, lựa chọn dung sai và các thông số chính:

Kích thước của bi thép rèn phải phù hợp với cấu trúc máy nghiền (đường kính trong, loại lót) và thích ứng với đặc tính nghiền vật liệu (độ cứng, kích thước hạt, độ giòn). Cốt lõi là xác định ba thông số chính về đường kính bi, tỷ lệ kích thước bi và trọng lượng bi đơn, đồng thời xem xét đầy đủ lợi thế về độ bền cao của vật liệu rèn:

Đường kính bi ảnh hưởng trực tiếp đến lực va đập và hiệu quả nghiền, được xác định bởi kích thước hạt vật liệu tối đa, đường kính máy nghiền và giai đoạn nghiền—độ bền kéo cao của bi thép rèn (≥1000MPa) cho phép đường kính bi lớn hơn trong các tình huống chịu tải nặng:

• Nghiền sơ cấp (kích thước hạt nguyên liệu ≥60mm): Bi đường kính lớn (60-120mm) để tạo lực va đập mạnh, thích hợp cho máy nghiền bán tự sinh, máy nghiền hình nón hoặc máy nghiền bi nghiền thô (khả năng chống va đập của thép rèn tránh gãy vỡ khi va chạm hạt lớn);
• Nghiền thứ cấp (kích thước hạt nguyên liệu 15-60mm): Bi đường kính trung bình (40-60mm) để cân bằng va đập và nghiền, áp dụng cho máy nghiền bi thông thường đối với vật liệu từ trung bình đến cứng (ví dụ: quặng sắt, đá vôi);
• Nghiền mịn (kích thước hạt nguyên liệu ≤15mm): Bi đường kính nhỏ (20-40mm) để tăng diện tích tiếp xúc với vật liệu, thích hợp cho máy nghiền mịn hoặc hệ thống phân loại-máy nghiền (cấu trúc đồng đều của thép rèn đảm bảo mài mòn nhất quán);
• Thích ứng đặc biệt: Đối với máy nghiền đường kính nhỏ (Φ≤2.8m), đường kính bi tối đa không được vượt quá 80mm (tránh va đập quá mức vào lớp lót); đối với máy nghiền đường kính lớn (Φ≥5.0m), đường kính bi tối đa có thể tăng lên 120mm (tận dụng độ bền cao của thép rèn để chịu tải nặng);
• Tham khảo tính toán: Đường kính bi khuyến nghị D₈₀ = (7-9)*√(kích thước hạt vật liệu tối đa, mm) (đối với thép hợp kim carbon trung bình rèn), điều chỉnh ±10% theo độ cứng vật liệu (vật liệu cứng hơn lấy giới hạn trên, vật liệu mềm hơn lấy giới hạn dưới—độ giữ độ cứng của thép rèn cho phép điều chỉnh rộng hơn).

Một kích thước bi đơn lẻ không thể bao phủ tất cả các kích thước hạt trong máy nghiền, vì vậy cần có tỷ lệ hợp lý giữa bi thép rèn lớn, trung bình và nhỏ để tối đa hóa hiệu quả nghiền:

• Nghiền chung (phân bố kích thước hạt 10-60mm): Tỷ lệ bi lớn (60-80mm) : bi trung bình (40-60mm) : bi nhỏ (20-40mm) = 3:4:3, đảm bảo cả va đập vào các hạt lớn và nghiền các hạt nhỏ;
• Nghiền thô chiếm ưu thế về va đập (kích thước hạt tối đa ≥80mm): Tăng tỷ lệ bi lớn, tỷ lệ = 5:3:2, tăng cường khả năng nghiền nát các hạt lớn (độ dẻo dai va đập cao của thép rèn tránh gãy vỡ trong quá trình va chạm);
• Nghiền mịn chiếm ưu thế về nghiền (kích thước hạt tối đa ≤15mm): Tăng tỷ lệ bi nhỏ, tỷ lệ = 1:3:6, cải thiện hiệu quả tiếp xúc bề mặt với các hạt mịn;
• Nguyên tắc: Thể tích tích lũy của tất cả các bi thép rèn phải lấp đầy 28-35% thể tích hiệu quả của máy nghiền (tỷ lệ nạp). Tỷ lệ kích thước bi nên tránh "khoảng trống kích thước" (ví dụ: không nhảy trực tiếp từ 80mm xuống 40mm mà không có bi 60mm) để đảm bảo nạp đầy đồng đều và mật độ cao của bi thép rèn (≈7.85g/cm³) giúp cải thiện động năng nghiền.

Trọng lượng bi đơn được xác định bởi đường kính bi và mật độ vật liệu (mật độ thép rèn cao hơn thép đúc) và ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng của máy nghiền và tuổi thọ:

• Máy nghiền công suất thấp (≤1500kW): Chọn bi thép rèn nhẹ hơn (m=0.8-2.5kg, đường kính tương ứng 40-60mm) để tránh quá tải hệ thống truyền động;
• Máy nghiền công suất cao (>2500kW): Sử dụng bi thép rèn nặng hơn (m=2.5-6kg, đường kính tương ứng 60-100mm) để phù hợp với nhu cầu va đập cao (độ bền cao của thép rèn hỗ trợ tải nặng mà không bị biến dạng);
• Nguyên tắc cân bằng mài mòn: Trọng lượng bi đơn phải đảm bảo tốc độ mài mòn đồng đều. Ví dụ, bi thép rèn 42CrMo có đường kính 60mm có trọng lượng ~1.15kg, phù hợp với hầu hết các máy nghiền công suất trung bình và cấu trúc rèn của chúng tránh mài mòn không đều do các khuyết tật bên trong.

Bi thép rèn hoạt động dưới sự va chạm tốc độ cao (tốc độ va chạm lên đến 6-9m/s) và ma sát, vì vậy việc kiểm soát dung sai phải tránh mài mòn không đều, rung máy nghiền hoặc nạp kém—độ chính xác rèn của chúng mang lại hiệu suất dung sai tốt hơn so với bi đúc:

• Đối với bi có đường kính ≤40mm: Dung sai ±0.4mm (ISO 3290 Class G3), đảm bảo tiếp xúc đồng đều giữa các bi nhỏ và các hạt mịn (độ chính xác rèn làm giảm độ lệch kích thước);
• Đối với bi có đường kính 40-80mm: Dung sai ±0.8mm (ISO 3290 Class G4), cân bằng hiệu quả xử lý và tính nhất quán về kích thước;
• Đối với bi có đường kính >80mm: Dung sai ±1.2mm (ISO 3290 Class G5), cho phép sai lệch thích hợp mà không ảnh hưởng đến hiệu ứng va đập;
• Yêu cầu chính: Sự khác biệt về đường kính tối đa giữa các bi thép rèn trong cùng một máy nghiền không được vượt quá 1.5mm, tránh lực va đập không đều dẫn đến mài mòn cục bộ lớp lót (độ cứng cao của thép rèn khuếch đại tác động của độ lệch kích thước).

• Sai số độ tròn ≤0.25mm (đối với đường kính ≤60mm) hoặc ≤0.4mm (đối với đường kính >60mm), đo bằng máy đo độ tròn—quá trình rèn quay của thép rèn đảm bảo độ tròn tốt hơn so với bi đúc;
• Ý nghĩa: Bi thép rèn không tròn sẽ gây ra rung động máy nghiền nghiêm trọng trong quá trình quay tốc độ cao (tốc độ máy nghiền 18-26 vòng/phút), làm tăng mức tiêu thụ điện năng lên 8-12% và đẩy nhanh quá trình mài mòn lớp lót, điều này rõ ràng hơn so với bi đúc do mật độ cao hơn.

• Độ nhám bề mặt: Ra ≤1.2μm (đánh bóng sau khi rèn), loại bỏ vảy rèn và gờ—bề mặt nhẵn của thép rèn làm giảm độ bám dính vật liệu và trầy xước lớp lót;
• Độ đồng đều độ cứng bề mặt: Chênh lệch độ cứng ≤3HRC trên bề mặt bi (rèn + xử lý nhiệt đảm bảo phân bố độ cứng đồng đều), tránh mài mòn quá mức cục bộ;
• Vát cạnh: Không có cạnh sắc (biến dạng dẻo của thép rèn trong quá trình gia công tự nhiên tạo thành các cạnh tròn), ngăn ngừa hư hỏng lớp lót và vật liệu.

Bi thép rèn chủ yếu được làm bằng thép hợp kim có độ bền và độ dẻo dai cao và các thông số được chọn dựa trên cơ chế mài mòn (mài mòn va đập + mài mòn mài mòn):

• Khả năng chống mài mòn: Tỷ lệ mài mòn thể tích ≤0.06cm³/(kg·m) (thử nghiệm ASTM G65), tốt hơn 20-30% so với bi thép đúc do mật độ rèn;
• Xử lý nhiệt: Quá trình tôi + ram (tinh chỉnh hạt của thép rèn sau khi xử lý nhiệt cải thiện độ cứng và độ dẻo dai).

• Thích ứng tỷ lệ nạp: Khi tỷ lệ nạp là 33-36% (nạp cao), chọn bi thép rèn có độ cứng cao (HRC+3) để chống lại sự gia tăng ma sát; khi tỷ lệ nạp là 28-32% (nạp thấp), sử dụng thép rèn có độ dẻo dai cao (ví dụ: 50Mn2) để tránh gãy vỡ do va đập quá mức;
• Thích ứng môi trường nghiền: Nghiền ướt (môi trường bùn) → chọn thép rèn chống ăn mòn (ví dụ: 42CrMo với lớp phủ chống gỉ) để tránh gỉ; nghiền khô (môi trường bột) → nhấn mạnh khả năng chống mài mòn (thép rèn crom cao);
• Thích ứng nhiệt độ: Nghiền nhiệt độ cao (nhiệt độ vật liệu ≥180°C) → chọn thép rèn chịu nhiệt (ví dụ: 35CrMoV) để tránh giảm độ cứng (độ ổn định xử lý nhiệt của thép rèn tốt hơn thép đúc).

• Kết cấu đặc: Bi thép rèn đều đặc (không có lỗ rỗng hoặc khoang co ngót, một khuyết tật phổ biến ở bi đúc), đảm bảo lực đồng đều và tránh gãy vỡ đột ngột khi va đập;
• Quá trình xử lý nhiệt: Tôi + ram nhiệt độ thấp để tạo thành cấu trúc martensitic, cân bằng độ cứng và độ dẻo dai—phản ứng xử lý nhiệt của thép rèn tốt hơn thép đúc do thành phần đồng đều;
• Tùy chỉnh kích thước: Đối với các máy nghiền đặc biệt (ví dụ: máy nghiền thí nghiệm quy mô nhỏ, máy nghiền bán tự sinh đường kính lớn), bi thép rèn có thể được tùy chỉnh về đường kính (10-150mm) và trọng lượng, với thời gian giao hàng ngắn hơn so với bi đúc đối với các kích thước không chuẩn.